民用飛機活動翼面閃電防護設(shè)計方法

黃海峰

【摘 要】針對目前民用飛機活動翼面復(fù)合材料及關(guān)聯(lián)運動機構(gòu)發(fā)展趨勢，研究在復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)及運動機構(gòu)進行閃電防護設(shè)計方法及途徑，以滿足相應(yīng)的適航性。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；活動翼面；復(fù)合材料；閃電防護；運動機構(gòu)

中圖分類號： V224 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.010

【Abstract】This article research the Lighting protection in the airplane composite control surface and related kinetic mechanism to satisfy the need of airworthiness ，according to the development trend of airplane composite control surface and related kinetic mechanism.

【Key words】Civil Aircraft； Control Surface； Composite； Lighting protection； Kinetic mechanism

0 引言

雷電作為自然環(huán)境中的常見現(xiàn)場，在地球上時刻在發(fā)生。商用客機的航線密集程度急劇增長，飛行的商用飛機遭受雷擊的可能性非常高，據(jù)統(tǒng)計，平均每1000架次飛行就可能遭受1次不同程度的雷擊。遭受雷擊后的飛機如果沒有可靠的閃電防護措施，就可能造成過大的損傷、飛行功能的喪失，最終可能導(dǎo)致機毀人亡的慘劇。英國《飛行國際》2008年4月9日報道：保加利亞首都索非亞的工程師正在修理一架漢莎航空公司的波音737-300客機，該機在起飛前往法蘭克福后遇雷擊，升降舵受到損傷，并帶有一般操縱系統(tǒng)纜線的破壞。

飛機遭受雷擊時，雷擊的高電壓會擊穿絕緣材料或局部結(jié)構(gòu)，雷擊時的大電流會使導(dǎo)電不連續(xù)的部位起火。材料被燒蝕造成結(jié)構(gòu)的性能大幅下降，甚至失效。對于結(jié)構(gòu)整體油箱區(qū)，會引起油箱著火。

由于閃電直接效應(yīng)對飛機的影響最直接，并且對機體結(jié)構(gòu)可能造成的損傷最明顯，因此對閃電直接效應(yīng)進行防護就成了機體結(jié)構(gòu)閃電防護重點。雷擊對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的直接效應(yīng)損傷有以下四種情況：

（1）雷擊的高電壓，造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)被擊穿。

（2）雷擊的電弧和持續(xù)電流使復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)燒蝕和蒸發(fā)掉，復(fù)材纖維失去基體的支持，其強度和剛度都大大下降，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失去承載能力。

（3）雷擊電弧和持續(xù)大電流加熱，使封閉內(nèi)腔的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)壓力迅速增加，腔體膨脹，最終造成結(jié)構(gòu)破壞。

（4）雷擊時的沖擊的波和磁場力引起結(jié)構(gòu)破壞。

1 適航條款規(guī)章

民用飛機復(fù)合材料使用比例呈現(xiàn)越來越高的趨勢，譬如在活動翼面部件即飛機控制面（副翼、擾流板、方向舵、升降舵）及增升裝置（襟翼、縫翼）等部件上使用越來越廣泛，上述部件一般位于飛機的尖端凸起部位易遭受閃電損傷。針對于此適航當局對閃電防護提出特殊要求在某型飛機閃電直接效應(yīng)防護專項審定基礎(chǔ)如下：

●25.581閃電防護

a）飛機必須具有防止閃電引起的災(zāi)難性后果的保護措施。

b）對于金屬組件，下列措施之一可表明符合本條（a）的要求：

（1）該組件合適地搭接到飛機機體上；

（2）該組件設(shè)計成不致因閃擊而危及飛機。

c）對于非金屬組件，下列措施之一可表明符合本條（a）的要求：

（1）該組件的設(shè)計使閃擊的后果減至最??；

（2）具有可接受的分流措施，將產(chǎn)生的電流分流而不致危及飛機。

●25.954燃油系統(tǒng)的閃電防護

燃油系統(tǒng)的設(shè)計和布局，必須防止由于下列原因而點燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸氣：

a）雷擊附著概率高的區(qū)域直接被閃擊；

b）掃掠雷擊可能性高的區(qū)域被掃掠雷擊；

c）燃油通氣口處的電暈放電和流光。

●符合性方法

機體結(jié)構(gòu)、整體油箱結(jié)構(gòu)的閃電直接效應(yīng)防護的符合性方法見表2。

a）581 a）條款執(zhí)行MOC1/7；

b）581 b）581 c）條款執(zhí)行MOC1/4/7；

c）954 a）954 b）條款執(zhí)行MOC1；

d）954 c）條款執(zhí)行MOC1/4。

2 活動翼面部件設(shè)計特點對閃電防護的影響

活動翼面中一般未布置油箱，因此主要考慮與與飛機機體的電導(dǎo)通以及復(fù)合材料本身的閃電防護。

●活動翼面復(fù)合材料應(yīng)用對閃電防護的影響

（1）廣泛使用在蒙皮、梁、肋等框架結(jié)構(gòu)上使用復(fù)合材料；

（2）復(fù)材結(jié)構(gòu)連接緊固件與復(fù)合材料基材導(dǎo)電性差異；

（3）活動翼面復(fù)材部件繁多，部件之間運動機構(gòu)復(fù)雜。

●活動翼面運動機構(gòu)對閃電防護的影響

（1）螺栓連接為間隙配合，一般涂有潤滑脂及密封劑；

（2）鉸鏈使用軸承，軸承一般使用潤滑脂或PE（特氟隆涂層，不導(dǎo)電）；

（3）運動部位運動行程較長如縫翼滑軌及襟翼滑輪架導(dǎo)軌。

因此主要考慮上述特點針對性的對活動翼面部件進行閃電防護設(shè)計。

3 活動翼面部件閃電防護設(shè)計方法

3.1 相對靜止連接閃電防護設(shè)計

活動翼面部件固定部件金屬/金屬一般使用緊固件導(dǎo)通，金屬/復(fù)材一般對復(fù)材進行特殊設(shè)計、如復(fù)材外表面鋪貼膠膜（內(nèi)含金屬網(wǎng)歌）、表面噴涂鋁，緊固件采用埋頭墊圈及埋頭緊固件連接增大電導(dǎo)通面積見圖1。

大跨距復(fù)材之間也可以采用電搭接帶板的形式形成通路。

3.2 運動部件連接閃電防護設(shè)計

●定軸轉(zhuǎn)動部位閃電傳導(dǎo)設(shè)計

（1）每件運動部件應(yīng)至少布置2處電搭接點，作為破損安全考慮。

（2）電搭接線兩端端子安裝平面應(yīng)平行或小角度，端子處連接應(yīng)盡量避免竄動。

（3）搭接線應(yīng)避免與轉(zhuǎn)動平面形成跨接，應(yīng)布置在運動平面一側(cè)。且長度應(yīng)選擇合適，避免搭接線收到過渡拉伸或鉤掛附近突出結(jié)構(gòu)，一般比最小長度長約25-40mm為宜。

●直線/圓弧線等運動部件閃電傳導(dǎo)設(shè)計

縫翼部件滑軌沿圓弧線在機翼套筒中進行收縮，以完成縫翼的收放。

襟翼部件通過下部滑輪架在導(dǎo)軌上前進后退實現(xiàn)襟翼的打開及偏轉(zhuǎn)。

運動部件之間一般通過布置搭接線，通過兩端端子連接兩端運動部件。

一般搭接線長度在200mm左右，上述部件因運動行程在400～800mm之間，造成運動部件之間搭接線布置困難，且在起降等翼面收放過程中難以保證完全電導(dǎo)通。

因此主要考慮在翼面收起零位狀態(tài)的電導(dǎo)通，通過兩部件上變形接觸的金屬片形成電通路傳導(dǎo)到滑軌等基礎(chǔ)機體結(jié)構(gòu)。

設(shè)計要點如下：

（1）每處機構(gòu)需布置至少2個變形搭接片，搭接片材料應(yīng)選用不銹鋼或銅片。

（2）搭接片不可涂漆或密封劑。

（3）搭接片應(yīng)為可拆卸設(shè)計，便于長時間使用后損壞失去彈性。

（4）動部件段搭接片接觸區(qū)應(yīng)翹起，固定部件上搭接片應(yīng)預(yù)彎使其緊貼滑軌表面，保證電搭接的可靠性。

3.3 閃電防護通路截面及阻抗

主搭接通路如為銅制，橫截面積不應(yīng)小于3，除非在單一導(dǎo)體承擔孤立部件的全部放電電流，其切面面積不應(yīng)小于6。鋁制的主搭接通路的截面積大小應(yīng)按同等的承受電涌的能力來設(shè)計。最大電阻值可以大于2.5毫歐的搭接。防雷擊搭接（最大100毫歐）。

4 結(jié)語

根據(jù)民用飛機適航條款結(jié)合活動翼面上典型結(jié)構(gòu)及復(fù)材使用情況，給出了相關(guān)限制因素及設(shè)計參方法，可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)閃電防護設(shè)計。

【參考文獻】

[1]《中國民用航空規(guī)章.第25部.運輸類飛機適航標準》CCAR25-R4.中國民用航空總局，2011.

[2]趙毅.飛機復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)閃電直接防護分析[J]，科技信息，2013年第17期，頁62-67.